ВЕНТИЛЯЦІЯ, ЯК ОДИН ІЗ СПОСОБІВ БОРОТЬБИ З ПАНДЕМІЄЮ КОРОНАВІРУСУ

Ризик зараження коронавірусом можна прогнозувати за рівнем вуглекислого газу CO2

У засобах масової інформації дається багато рекомендацій щодо протидії поширенню коронавірусу, це й правила особистої гігієни, дотримання дистанції, захисні маски, обмеження спілкування тощо.

На жаль, пропонуючи людям залишатися вдома та не виходити на вулицю, недостатньо пояснюється, як знизити ризик зараження вірусом у приміщенні. Спробуємо заповнити цю прогалину на прикладі вентиляції приміщень.


Теорія.

Науково доведено, що якість повітря, яким ми дихаємо в приміщенні, прямо впливає на ймовірність захворювання на інфекції, що передаються повітряно-краплинним шляхом, такими як туберкульоз, кір, грип та риновірусні інфекції. До останніх, належить і коронавірус (COVID-19), пандемія якого почалася в Китаї в грудні 2019 року і швидко поширилася на увесь світ.

Для прогнозування ризику передачі інфекційних захворювань передаються повітряно-краплинним шляхом усередині приміщень у сучасній науці використовується рівняння Wells-Riley (1978 р.).

Wells-Riley equation
Де: P - ймовірність зараження;
 D - кількість випадків захворювання;
 S - кількість людей, що контактують у приміщенні;
 I - кількість хворих людей у приміщенні;
 р - частота дихання людини (м³/с);
 q – швидкість квантової генерації інфекції хворою людиною (квант/с);
 t - загальний час перебування у приміщенні (с);
 Q – кількість свіжого повітря, що надходить у приміщення за одиницю часу (м³/с).

Однак, на практиці, використання цього рівняння утруднено, оскільки передбачає наявність умов і вимагає точного вимірювання величини подачі зовнішнього повітря. На жаль, зараз у більшості квартир, магазинів, шкіл, офісів та лікарень чи взагалі немає організованого припливу свіжого повітря через припливну вентиляцію або приміщення мають малоефективну вентиляцію, яка може забезпечити його необхідну кількість. Найчастіше, свіже повітря надходить у приміщення за рахунок природної інфільтрації, яку складно контролювати.

У науковому дослідженні S. N. Rudnic (Department of Environmental Health, Harvard School of Public Health, Boston, MA, USA) та D. K. Milton (Department of Medicine, The Channing Laboratory, righam and Women's Hospital and Harvard Medical School, Boston, MA, USA), результати якого викладено у статті «Risk of indoor airborne infection transmission estimated from carbon dioxide concentration» автори пропонують альтернативний підхід до прогнозування ризику інфікування захворюваннями, передаються повітряно-краплинним шляхом. В основному рівняння нової теорії для оцінки кількості свіжого повітря у приміщенні автори пропонують використовувати рівень вмісту СО2 як індикатор якості повітря. Отримане у дослідженні рівняння є нестаціонарною версією рівняння Wells-Riley, яке тепер застосовується для розрахунків і в приміщеннях, що погано вентилюються. Також визначається співвідношення між середнім числом інфікування та якістю повітря, що демонструє ймовірність існування досяжної критичної частки повітря, що вдихається в приміщенні, нижче за яку повітряне поширення респіраторних інфекцій і грипу не відбудеться.

Для оцінки ймовірності поширення інфекції серед людей, S. N. Rudnic та D. K. Milton використовують показник R0 – основне репродуктивне число. Це кількість вторинних інфекцій, що виникають, коли один інфікований перебуває у суспільстві інших людей, сприйнятливих до цієї інфекції. Якщо значення R0 > 1, інфекція поширюватиметься. Чим більше значення R0 тим більше ймовірність розвитку епідемії.

Репродуктивне число для інфекційних захворювань, що розповсюджуються в приміщеннях (RA0), може бути виражено наступним чином:

Basic reproductive number in a shared indoor airspace

де: RA0 – репродуктивне число для інфекційних захворювань у приміщеннях;
 n – кількість людей у приміщенні;
 f - частка повітря в приміщенні, що видихається людьми, що знаходяться в ньому;
 q – швидкість квантової генерації інфекції хворою людиною (квант/с);
 t - загальний час перебування у приміщенні (с).

Для оцінки частки повітря, що видихається людьми та швидкості квантової генерації інфекції хворою людиною вчені пропонують використовувати значення рівня СО2 як найбільш адекватного показника.

У результаті автори дослідження наводять графіки ймовірності зараження залежно від вмісту СО2 у повітрі приміщення для трьох різних видів інфекцій.

Hypothetical measles outbreak with a quantum generation rate of 570/h

Сімейство кривих, показаних на графіці вгорі, описує можливість зараження при гіпотетичному спалаху кору зі швидкістю квантової генерації інфекції кору q = 570 (1/год). У цьому випадку репродуктивне число (RA0) збільшується майже лінійно зі збільшенням кількості людей за високих концентрацій СО2. Тим не менш, репродуктивне число (RA0) не збільшується безпосередньо зі збільшенням чисельності людей при низьких концентраціях CO2. В останньому випадку зростання ймовірності захворювання зі збільшенням кількості людей відбувається значно повільніше.

Але навіть за найнижчих концентрацій CO2, репродуктивне число набагато більше 1. Це говорить про те, що кір поширюватиметься дуже швидко навіть у будинках з дуже гарною вентиляцією.

Hypothetical influenza outbreak characterized by a quantum generation rate of 100/h

На малюнку зверху наведено графіки зміни репродуктивного числа (RA0) для гіпотетичного спалаху грипу, характеризується швидкістю квантової генерації 100 (1/год), де передбачається, що інфікована людина залишиться у будівлі протягом 4 годин. Знову видно вирівнювання величини репродуктивного числа (RA0), хоча цього разу воно відбувається навіть за високих концентрацій CO2. При низьких концентраціях CO2 величина репродуктивного числа (RA0) знижується нижче 1. Критична повторно вдихається фракція становить 0,25%, що еквівалентно концентрації CO2 приблизно 500 ppm. Таким чином, дуже високі показники подачі зовнішнього повітря при обмеженні кількості людей у приміщенні можуть бути ефективними в обмеженні поширення грипу.

Rhinovirus, COVID-19 infections assuming a q of 4/h

На малюнку вгорі наводиться сімейство кривих репродуктивного числа (RA0) для риновірусних інфекцій, до яких відноситься і коронавірус (COVID-19). У цьому випадку швидкість квантової генерації інфекції хворим людиною було прийнято з експериментальних даних лише на рівні q = 4 (1/ч). Також передбачається, що протягом усього часу інфікована людина проводить у будівлі 24 год. На всіх кривих є стабілізація рівня для кількості людей більше 20. І якщо припливна вентиляція забезпечить рівень вмісту СО2 не вище 600-700 ppm, можна розраховувати на запобігання розповсюдженню інфекції.


Висновки

Виходячи з результатів дослідження стає очевидним, що одним з ефективних способів зниження ризику поширення риновірусної інфекції, до якої відноситься коронавірус є організація якісної припливно-витяжної вентиляції, яка забезпечить рівень СО2 не вище 600-700 ppm.

Якщо у приміщенні відсутня система припливно-витяжної вентиляції, цього ефекту можна досягти регулярним провітрюванням з постійним моніторингом рівня СО2.

Рекомендації.

1.Як правильно вентилювати приміщення в умовах загрози поширення респіраторних інфекцій.

Найправильнішими та найефективнішими способами вентиляції будуть способи, що застосовуються у медичних закладах та т.зв. "чистих кімнатах". У таких системах приплив свіжого повітря здійснюється ламінарним потоком через спеціальні повітророзподільники. Наприклад, через стельові ламінатори в одному напрямку, наприклад, зверху – вниз. Рециркуляція повітря повністю виключається, а повітря припливу ретельно фільтрується в HEPA фільтрах. Вентиляційне обладнання та автоматика крім заданої температури та вологості постійно підтримують надлишковий тиск у приміщенні. Це перешкоджає проникненню зовнішнього забрудненого повітря.

На жаль, такий спосіб дорогий і має високі експлуатаційні витрати.

Менш витратним є використання стандартної припливно-витяжної вентиляції. У цьому випадку свіже повітря через припливну установку подається до приміщення. Витяжна установка витягує відпрацьоване повітря із приміщення. У припливній установці свіже повітря очищається від пилу, підігрівається або охолоджується.

Діючими будівельними нормами регламентується кратність повітрообмінів, яка розраховується залежно від призначення приміщення, кількості людей, їх режиму перебування та кількості забруднень, що виділяються всередині. Рівень СО2 діючими будівельними нормами нині не регламентується. Тому, якщо ви хочете контролювати ризик поширення респіраторних захворювань, потрібно вимірювати рівень СО2 і регулювати продуктивність припливної та витяжної систем для підтримки СО2 не вище 600-700 ppm.

Для вимірювання вмісту СО2 можна придбати кімнатний монітор якості повітря, який вимірює як мінімум температуру, вологість та вміст СО2. Наприклад, такі, Walcom HT-501

Кімнатний монітор якості повітря

Попередні моделі кімнатних моніторів, крім вимірювання температури (T°C), вологості (H%) та вмісту вуглекислого газу (СО2 ppm) вимірюють вміст формальдегідів (HCHO mg/m³), вміст мікрочастинок забруднень (РМ2.5 µg/m³) та вміст летких органічних речовин (TVOC mg/m³).

Кімнатний монітор якості повітря

Такие мониторы только проинформируют вас о текущем состоянии воздуха в помещении но изменить ситуацию они не смогут. Если качество воздуха не удовлетворительно то вы самостоятельно должны принять решение – проветрить помещение или включить вентиляцию, если она есть. А может и наоборот, закрыть окно, если с улицы к вам летят микрочастиц загрязнений.

Когда вопрос качества воздуха касается больших общественных помещений, например, офисов, школ, больниц и т.д. такой способ мониторинга качества воздуха малоэффективен.

Здесь нужно устанавливать автоматизированные измерительные станции или мониторы качества воздуха с подключением их к системам вентиляции и кондиционирования.

Принцип действия их следующий.

По результатам постоянного измерения параметров воздуха мониторы вырабатывают команды на управление системой вентиляции, кондиционирования, отопления и увлажнения воздуха.

Такі монітори тільки проінформують вас про поточний стан повітря в приміщенні, але змінити ситуацію вони не зможуть. Якщо якість повітря не задовільна, то ви самостійно повинні прийняти рішення – провітрити приміщення або включити вентиляцію, якщо вона є. А може і навпаки, зачинити вікно, якщо з вулиці до вас летять мікрочастинок забруднень.

Коли питання якості повітря стосується великих громадських приміщень, наприклад офісів, шкіл, лікарень тощо. такий спосіб моніторингу якості повітря є малоефективним.

Тут потрібно встановлювати автоматизовані вимірювальні станції або монітори якості повітря з підключенням їх до систем вентиляції та кондиціювання.

Принцип дії їх наступний.

За результатами постійного вимірювання параметрів повітря монітори виробляють команди на керування системою вентиляції, кондиціювання, опалення та зволоження повітря.

Наша компанія пропонує встановлення такої системи моніторингу якості повітря для квартир, котеджів, офісів, освітніх та медичних закладів. Ця система може керувати вентиляцією, кондиціюванням, опаленням та зволоженням повітря. Також дані про стан повітря доступні зі смартфонів або комп'ютера в реальному часі та запису. Датчики для моніторингу якості повітря в кожному окремому приміщенні монтуються у стандартні підрозетники у стіну. Зв'язок датчиків з WEB-сервером може здійснюватися через дроти протоколу Modbus RTU або бездротово через WiFi. В останньому випадку до місця встановлення достатньо подати тільки живлення 220В, наприклад, встановивши датчики поруч із розеткою або вимикачем.

Кімнатний монітор якості повітря



Як самостійно виготовити простий пристрій для вимірювання рівня СО2 у повітрі.


Ця інформація для тих, хто не боїться тримати паяльник у руках і хоч трохи знається на програмуванні, наприклад знайомий із сімейством контролерів ARDUINO.

Нижче наводиться опис порядку виготовлення переносного вимірювача (монітора) рівня вмісту вуглекислого газу СО2 в атмосфері.

Для цього вам знадобляться:
 • датчик вуглекислого газу MH-Z19B;
 • мікроконтролер Arduino PRO MINI, або аналогічний йому, наприклад Arduino UNO;
 • перехідник USB-UART CP2102. Якщо ви будете використовувати мікроконтролер Arduino з роз'ємом USB, цей перехідник вам не знадобиться;
 • 7-сегментний індикатор на HT16K33;
 • перетворювач MT3608, що підвищує, або аналогічний, для забезпечення живлення 5В від двох батарейок АА/ААА. Можна також для живлення вимірювача використовувати два Li-Ion акумулятори 18650. Тоді вам знадобиться DC-DC знижувальний перетворювач напруги, наприклад, на мікросхемі LM2596. Якщо ви не плануєте робити вимірювач переносним, живлення можна здійснювати USB кабелем від комп'ютера або запитати від Power Bank.

Зберіть схему, як показано на малюнку внизу.

Схема вимірювача рівня CO2

Завантажте програму, яка міститься внизу в мікроконтролер. Для роботи вам знадобляться кілька бібліотек:

SoftwareSerial.h – бібліотека для роботи з програмним портом UART. Ця бібліотека, як правило, присутня за умовчанням. Якщо її немає, завантажте її з https://github.com/PaulStoffregen/SoftwareSerial

MHZ19.h - бібліотека для роботи датчиком CO2 MH-Z19B. Завантажте її з https://github.com/strange-v/MHZ19

Adafruit_LEDBackpack.h, Adafruit_GFX.h - бібліотеки для роботи з 7-ми сегментним індикатором. Встановлюється Arduino IDE через меню Інструменти – Керування бібліотеками.


/*
Вимірювач рівня вуглекислого газу СО2
(C)2020 ТОВ "ЛІК", http://lic.com.ua
*/      
#include "MHZ19.h"
#include <SoftwareSerial.h>
#include <Wire.h>
#include "Adafruit_LEDBackpack.h"
#include "Adafruit_GFX.h"

#define ledPin1 13 //світлодіод на платі контролера
#define DEBUG
#define DISPLAY_ADDRESS   0x70

//Оголошуємо програмний порт на висновках 10(RX), 11(TX)
SoftwareSerial mySerial(10, 11);    
//Оголошуємо датчик CO2 MHZ-19B
MHZ19 mhz(&mySerial);
//Оголошуємо 7-сегметний дисплей HT16K33
Adafruit_7segment clockDisplay = Adafruit_7segment(); 

uint32_t timer_co2 = 0;
int MHZ_CO2 = 0;
int MHZ_T = 0;
boolean switchDisplay = false;

void setup(){
  //Ініціалізуємо 7-сегментний дисплей
  clockDisplay.begin(DISPLAY_ADDRESS);
  clockDisplay.clear();
  clockDisplay.setBrightness(1);    
  //Ініціалізуємо програмний та апаратний порти
  mySerial.begin(9600);
  Serial.begin(9600);   
  while (!Serial) { }  
  Serial.println("Start programm!"); 
  //Встановлюємо діапазон до 2000ppm для датчика СО2
  mhz.setRange(MHZ19_RANGE_2000);
}

void loop() {
  if ((millis()-timer_co2) > 5000) {
    MHZ19_RESULT response = mhz.retrieveData();
    if (response == MHZ19_RESULT_OK)  {
      //Отримуємо рівень вуглекислого газу повітря, CO2
      MHZ_CO2 = mhz.getCO2();       
      //Отримуємо температуру повітря
      MHZ_T = mhz.getTemperature(); 
      if (switchDisplay) clockDisplay.print(MHZ_CO2, DEC);
      else clockDisplay.print(MHZ_T, DEC);
      clockDisplay.writeDisplay();
      Serial.println("CO2="+String(MHZ_CO2)+"ppm, T="+String(MHZ_T)+"°C");
      digitalWrite(ledPin1,(not digitalRead(ledPin1)));
      switchDisplay = not switchDisplay; 
    } else {
      Serial.println("MHZ19 EROOR = "+String(response));
    }
    timer_co2 = millis();
  }
}

      

Середній струм, споживаний схемою – 30 мА. Періодично, при вимірюванні рівня СО2 датчик MH-Z19B споживає струм в імпульсі до 150 мА. Для коректного вимірювання необхідно дати прогрітися датчику 30-60с, після чого він показуватиме поточний вміст СО2 у навколишній атмосфері.



Вимірник рівня СО2 у повітрі з інфрачервоним безконтактним термометром.

Для розширення функціоналу, до вимірювача СО2 можна додати інфрачервоний безконтактний термометр

Для цього вам додатково знадобиться модуль безконтактного термометра MLX90614

Зберіть схему, як показано на малюнку внизу.

Схема вимірювача рівня CO2 із безконтатктним термометром

На відміну від попередньої схеми, тут для живлення використано два Li-Ion акумулятори 18650 з понижувальним перетворювачем DC-DC Step Down LM2596. Для контролю рівня розряду акумуляторів додано схему вимірювання напруги на акумулятор - дільник напруги на двох резисторах по 10К підключений до аналогового входу А0 на мікроконтролері PRO MINI.

Завантажте програму, яка міститься внизу в мікроконтролер. Додатково буде потрібна бібліотека для роботи з модулем безконтактного термометра MLX90614 Завантажте її з https://github.com/adafruit/Adafruit-MLX90614-Library

  
/*
Вимірювач рівня СО2 з безконтактним термометром
(C)2020 ТОВ "ЛІК", http://lic.com.ua      
*/
#include "MHZ19.h"   //https://github.com/strange-v/MHZ19
#include <SoftwareSerial.h>
#include <Wire.h>
#include "Adafruit_LEDBackpack.h"
#include "Adafruit_GFX.h"
#include <Adafruit_MLX90614.h>

#define ledPin1 13 //світлодіод на платі контролера
#define DISPLAY_ADDRESS   0x70

//Оголошуємо програмний порт на висновках 10(RX), 11(TX)
SoftwareSerial mySerial(10, 11); 
//Оголошуємо датчик CO2 MHZ-19B  
MHZ19 mhz(&mySerial); 
//Оголошуємо 7-сегметний дисплей HT16K33             
Adafruit_7segment clockDisplay = Adafruit_7segment(); 
Adafruit_MLX90614 mlx = Adafruit_MLX90614();

uint32_t timer_co2 = 0, timer_start = 0, timer_temp = 0;
int MHZ_CO2 = 0;
//температура об'єкта, виміряна датчиком MLX90614
float MLX_TO = 0.0;
//Напруга на акумуляторі
float LiIon = 0.0;  
boolean switchDisplay = false;

void setup(){
  //Ініціалізуємо програмний та апаратний порти 
  mySerial.begin(9600);
  Serial.begin(9600);   
  while (!Serial) { }  
  Serial.println("Start programm!"); 
   
  //Ініціалізуємо 7-сегментний дисплей
  clockDisplay.begin(DISPLAY_ADDRESS);
  clockDisplay.clear();
  clockDisplay.print(LiIon);
  clockDisplay.writeDisplay();    
  clockDisplay.setBrightness(1);

  //Встановлюємо діапазон 400-2000ppm для датчика СО2
  mhz.setRange(MHZ19_RANGE_2000);
  mlx.begin();
  //Вимірюємо та відображаємо протягом 1с напругу на акумуляторах
  for (int i=0; i<100; i++) {
    LiIon += 5.0*analogRead(A0)/1024.0;  
    clockDisplay.print(LiIon/i);
    clockDisplay.writeDisplay();     
    delay(10);
  }  
  delay(1000);
  timer_start = millis();
}

void loop() {
  if ((millis()-timer_temp) > 500) {
    //Отримуємо температуру об'єкта, виміряну безконтактним термометром  
    MLX_TO = int(mlx.readObjectTempC()*100.0)/100.0;
    if (((millis()-timer_co2) > 5000)and ((millis()-timer_start)>30000)) {         
      MHZ19_RESULT response = mhz.retrieveData();
      if (response == MHZ19_RESULT_OK)  {
        //Отримуємо рівень вуглекислого газу повітря, CO2
        MHZ_CO2 = mhz.getCO2();
        Serial.println("CO2="+String(MHZ_CO2)+"ppm");         
        digitalWrite(ledPin1,(not digitalRead(ledPin1)));
        switchDisplay = not switchDisplay; 
      } else {
        Serial.println("MHZ19 EROOR = "+String(response));
      }
      timer_co2 = millis();
    }
    //Періодично відображаємо на дисплеї вміст СО2
    //та температуру, виміряну безконтактним термометром.
    if (switchDisplay) clockDisplay.print(MHZ_CO2, DEC);
    else clockDisplay.print(MLX_TO);
    clockDisplay.writeDisplay();    
    timer_temp = millis();
  } 
} 

Після запуску програма протягом першої секунди відображає напругу на акумуляторі, а потім 30с безперервно показує температуру об'єктів, виміряну безконтактним термометром.

Після закінчення перших 30с, відображення переходить у режим послідовного виведення рівня вуглекислого газу СО2 та температури об'єктів, виміряну безконтактним термометром Період перемикання показників – 5с.


Якщо вам потрібний професійний моніторинг стану повітря, а в перспективі і з управлінням кліматичною системою,
ппишіть на e-mail: lic4info@gmail.com, або телефонуйте за номером:(+38044)455-91-33

Задати питання або залишити заявку ви можете через форму зворотнього зв'язку